自阻尼条件下架空输电导线风振功率研究（电力）

                 李清¹，方浩铭²，张研²，韩林²，吕中宾¹

（1．国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州  450052;2．河海大学力学与材料学院，江苏南京  210098）

摘要：为了掌握线路的振动状态，保证线路安全，需要确定大跨越架空导线的风振功率曲线。应用Slethei风能曲线、Diana风能曲线和导线AACSR-400自阻尼特性的试验结果，得到了该导线的风振平衡点和风振功率点的数据。对导线AACSR-400风振功率点的计算结果表明，在确定风振平衡点时，Diana风能曲线优于Slethei风能曲线。

关键词：架空输电线路：舞动；微风振动；白阻尼特性；风振功率

中图分类号：TM726.3    DOI: 10.11930/j．issn．1004-9649.2016.04.038.04

0引言

    随着高压输电线路建设里程的增加，输电线路在风荷载作用下发生破坏的事故屡有发生，从而造成了巨大的经济损失和严重的社会影响。特别是近年来．风灾影响范围不断扩大，造成的危害也越来越严重。

    在风荷载作用下，输电线的微风振动最为频繁．每次振动时间可达数日，导致电线疲劳断股和金具、杆塔构件的损坏。由于中国特高压输电线路建设加快，输电线路要采用的导线截面张力、悬挂点高度和档距不断增大，输电线的微风振动问题更为突出。针对输电导线振动机理较为复杂，自阻尼对于导线振动作用理论研究较少的特点，本文采用能量平衡法原理，对白阻尼条件下架空输电线路的风振强度进行研究。

1  电线微风振动基本理论

1.1  微风激励力频率

    当0.5～10 m/s的稳定风速吹向电线时，在电线背风侧产生上下交替的漩涡，电线受到上下交变的激励力作用，从而使电线产生振动，如图1所示。这种较高频率(5～150 Hz)、小振幅(小于5cm)的振动也称为风激振动。

    研究了这种现象后发现，发生振动时漩涡具有比较稳定的频率f _s该频率可表示为

1.2  电线的自振频率和谐振

    架空输电线可以看作长度为L的两端固定的1条弦线，根据弦振动理论，它的白振频率可表示为

    当风速在一定范围内变化时，电线的振动频率和漩涡的频率仍会保持不变，这种现象称为同步效应或者锁定效应。由于电线的自振频率均匀为密集分布，如果电线在铅垂方向承受微风激励力的频率和电线的某一阶自振频率相等．则电线在该频率下产生谐振（也称位移共振）。只要稳定风速吹向电线，谐振便会持续发生。这时，电线的振动沿电线方向呈正弦波形（电线的某一阶振型）．振动波沿整档电线呈驻波分布。在振动过程中，同一频率振动波的波节和波腹位置保持不变．如图2所示。

1.3能量平衡原理

    根据结构动力学理论，在简谐力作用下，结构产生简谐振动。当干扰力频率等于结构自振频率时，则产生谐振（共振）。这时荷载与阻尼力平衡．在同一振动周期内荷载所做的功等于阻尼力消耗的能量，即能量平衡原理。

    在研究架空输电线的微风振动时．通常采用能量平衡原理。该原理认为，在电线谐振时，风荷载在电线位移上所做的功（输入能量）等于电线自阻尼消耗的能量。当输入能量与消耗能达到平衡时，可以得到输电线在不同白振频率下的振幅．从而确定输电线悬挂线夹出口处的动弯应变和应力，为进一步研究电线和绝缘子串的疲劳寿命提供依据。

2风输入功率

    当稳定的风速垂直吹向刚性圆柱体，圆柱体背风侧气流漩涡脱离时，在圆柱体上作用的升力F随时间成正弦变化，升力F可以表示为

    Slethei风能曲线是由风洞实验测定．表征风能随振幅变化的曲线。在试验中根据不同的工况，各国的研究人员得出的相应风能曲线离散性很大．这给工程研究的应用造成了不确定性。现今还有风能曲线被广泛用于研究。

风洞试验提出的风输入功率曲线为

    式(15)表示的Slethei风输入功率曲线（风速V=1 m/s、5 m/s和7m/s）和式(17)表示的Diana风输入功率曲线，如图3所示。从图中可以看出，Slethei功率曲线与风速有关，当风速较低（低频）时，风输入功率大于Diana风输入功率，尤其当风速V=1 m/s时，远远大于Diana风输入功率。当风速较高（高频）时(V=7 m/s)，若振幅比y₀/D小于0.2，Slethei风输入的功率大于Diana风输入功率；若振幅比y₀ /D大于0.2并小于1.2，Slethei风输入的功率小于Diana风输入功率；若振幅比y₀/D大于1.2．则Slethei风输入的功率又大于Diana风输入功率。

3电线自阻尼功率

    电线在振动中自身消耗的功率称为自阻尼功率。从微观上看，电线振动时材料分子间的相对运动产生的热效应是不可逆的。振动中电线各股间产生滑动摩擦，电线材料的不均匀性也将产生局部非弹性变形。这些都将导致电线在振动过程中耗散能量。通常将各种能量消耗的因素总称为阻尼。

4输电线风振强度

根据能量平衡原理，在电线谐振时，风输入

    对于AACSR-400钢芯铝合金绞线，分别采用Slethei曲线和Diana曲线，求解超越方程式(20)和式(21)，得到风振平衡点的无量纲振幅y₀/D、双振幅y₀和单位功耗如表1所示。从表中可以看出．由于Slethei风输入功率曲线夸大了低频段（低风速）的风能输入，使电线振幅和单位耗能远远大于Diana风输入功率曲线在该频段的计算结果，在频率f=8 Hz时，双振幅竟然达到188.2mm．与实际情况相差太大。

5结语

    式(15)表示的Slethei风输入功率曲线的功率值，随着振幅的增大而无限增大。在低频和振幅较大的情况下，用Slethei曲线计算的功率值太大。在电线的微风振动中，风输入功率和自阻尼功率总会达到一个平衡点。风输入功率应存在上限．振动消耗功率随着振幅增加而增加．最终达到平衡状态．Slethei风输入功率曲线无上限．因此得到的计算结果不符合实际情况。

    在寻找风振平衡点时．建议采用Diana风输入功率曲线。该曲线经过风洞试验和流体动力学理论计算结果的验证．并能保证得到风输入功率曲线和白阻尼功率曲线的交点．即超越方程式(21)有解。由于Slethei曲线的功率值无上限，在低频和高振幅时超越方程式(20)无解，理论上不完善，计算时又会遇到不能确定平衡点的困难，还需要进一步深入研究和探讨。